解淀粉芽孢杆菌果聚糖蔗糖酶及其突变体在L.lactis中的表达与应用

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Levan型果聚糖是一种以β-(2,6)果糖苷键和β-(2,1)果糖苷键连接形成的果聚糖。因其优良的性质和功能而广泛应用于食品、医药、纳米材料、环境、化妆品、工业等领域。Levan在自然界中主要存在于微生物和植物。采用传统的分离方法纯化困难且成本过高,通过酶法合成levan相对简单高效、成本低廉,因此受到了学者的广泛关注。果聚糖蔗糖酶(levansucrase)能够以蔗糖为底物在适当的条件下合成levan。目前已知的果聚糖蔗糖酶主要存在于微生物中,而直接从微生物中提取产量难以满足实际应用,因此通过基因工程手段构建高效表达果聚糖蔗糖酶的重组菌株日益成为研究热点。乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)是一种安全的食品级微生物,其全基因组小,遗传背景清晰,较易进行基因改造,是分泌异源蛋白良好的细胞工厂。本文以解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens BH072)的果聚糖蔗糖酶基因sac B为研究对象,在乳酸乳球菌(L.lactis)中构建Ba-Sac B的异源重组表达系统。此外,还构建了三个Ba-Sac B的突变体酶,并对Ba-Sac B及突变酶的性质进行了探究。随后将Ba-Sac B及其突变体用于levan的合成,并对酶法合成levan的条件进行了相关优化。实验结果如下:(1)提取B.amyloliquefaciens基因组,将其作为PCR模板,扩增出sac B基因,通过融合PCR与信号肽SPusp45融合,得到的融合片段SPusp45-sac B分别与含有启动子Pp5的组成型表达载体和启动子Pnis A的诱导型表达载体连接,在乳酸乳球菌(L.lactis)中构建重组质粒p NZ8048-Pp5-SPusp45-sac B和p NZ8048-SPusp45-sac B,并成功分泌了重组Ba-Sac B。通过对生长曲线的绘制发现Ba-Sac B的表达对菌株的生长没有影响。经过表达条件的优化,得到了蛋白表达的最佳条件:组成型系统(p NZ8048-Pp5-SPusp45-sac B)菌株的最佳发酵时间为36 h,诱导型系统(p NZ8048-SPusp45-sac B)菌株的最佳诱导时间为48 h,最佳诱导剂nisin浓度为2 ng/m L。其中诱导型菌株(p NZ8048-SPusp45-sac B)获得了最大的Ba-Sac B表达量,浓度为225.2±0.6 mg/L,重组Ba-Sac B在40℃、p H 6、10 m M Ca2+存在的情况下最高比酶活为230.93±1.5 U/mg,Ba-Sac B的最佳存贮条件为40℃、p H 6。(2)提取p NZ8048-SPusp45-sac B质粒,将其作为模板,运用PCR定点突变技术对位于sac B基因第313个氨基酸位置的谷氨酸进行突变,成功构建了突变体E313L、E313F和E313V。结果显示突变不影响蛋白正常的分泌表达和菌株正常的生长。经过酶学性质的测定,发现突变体E313F的最适温度提高了15℃,在贮存24 h后,E313F仍保持原酶活性的61.77%(40℃)、59.73%(45℃)和58.99%(50℃),比野生型Ba-Sac B贮存24 h后的酶活力均高出25%以上,在不同p H的溶液中贮存8 h后,E313F在p H 3-5缓冲液中的相对酶活性明显高于其他三种酶。由此可见,突变体E313F的温度稳定性、耐酸性等都得到了明显提升。(3)对levan的酶法合成条件进行优化。对酶的种类、蔗糖浓度、温度、p H、Ca2+浓度和反应时间等因素进行优化,采用薄层色谱法(TLC)对levan进行定量,得到了最佳反应条件如下:50μg/m L E313F酶液、200 g/L蔗糖、15 m M Ca2+、温度为55℃、溶液p H为6、反应时间为14 h。
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